分子開關是可以在兩個或多個穩定狀態之間可逆地轉換的分子。分子可以響應環境刺激在狀態之間轉換，例如pH、光、溫度、電流、微環境的變化，或在離子和其他配體的存在下。在某些情況下，需要組合刺激。最古老的合成分子開關形式是pH指示劑，它顯示不同的顏色作為pH值的函數。目前，合成分子開關在用于分子計算機或響應藥物遞送系統的納米技術領域引起了人們的興趣。分子開關在生物學中也很重要，因為許多生物學功能都基于它，例如變構調節和視覺。它們也是分子機器最簡單的例子之一。

在細胞生物學中，蛋白質通過激活信號通路中的另一種蛋白質來充當細胞內信號分子。為了做到這一點，蛋白質可以在活躍和非活躍狀態之間切換，從而充當響應另一個信號的分子開關。例如，蛋白質的磷酸化可用于激活或滅活蛋白質。觸發“分子開關”的外部信號可能是一種蛋白激酶，它為蛋白質添加一個磷酸基團，或者一種蛋白磷酸酶，它去除磷酸鹽。

自16世紀以來，一些化合物改變pH功能的能力就為人所知。這種效應甚至在發現酸度/堿度概念之前就已為人所知。這些存在于玫瑰、矢車菊、報春花和紫羅蘭等多種植物中。羅伯特·博伊爾是xxx個描述這種效應的人，他使用植物汁（以溶液和浸漬紙的形式）。這些化合物最常見的用途是pH指示劑，它是具有酸/堿特性的分子，而不同的形式呈現不同的顏色。當添加酸或堿時，??兩種形式之間的平衡將被取代。

廣泛研究的一類是光致變色化合物，當被特定波長的光照射時，它們能夠在電子配置之間切換。每個狀態都有一個特定的吸收xxx值，然后可以通過UV-VIS光譜讀出。該類的成員包括偶氮苯、二芳基乙烯、二噻吩基乙烯、富金酸、二苯乙烯、螺吡喃和苯氧基并四苯醌。手性分子開關是一個特定的亞組，在對映體對之間發生光化學轉換。在這些化合物中，讀數是通過圓二色性而不是普通光譜法。如下所示的受阻烯烴會隨著右旋或左旋圓偏振光的照射而改變其螺旋度（參見：平面手性）顯示定向運動的手性分子開關被認為是合成分子馬達：

在主客體化學中，分子開關的雙穩態對客體的親和力不同。這種系統的許多早期例子都是基于冠醚化學。1978年，Desvergne和Bouas-Laurent描述了xxx個可切換的主體，他們通過光化學蒽二聚化產生了冠醚。雖然嚴格來說不是可轉換的，但該化合物能夠在光化學觸發后吸收陽離子，并且暴露于乙腈會返回開放形式。1980年Yamashita等人。構建已經包含蒽單元（蒽）的冠醚，并研究離子吸收與光化學。同樣在1980年，Shinkai放棄了作為光天線的蒽單元，轉而采用偶氮苯部分，并首次設想存在帶有開關的分子。在該分子中，光引發偶氮基團的反式順式異構化，從而導致環擴展。因此，在反式形式中，冠優先與銨、鋰和鈉離子結合，而在順式形式中，優先與鉀和銣（同一堿金屬基團中的較大離子）結合。在黑暗中發生反向異構化。Shinkai在模擬莫能菌素和尼日利亞菌素的生化作用的實際離子傳輸中采用這種設備：在雙相系統中，離子在一個相中由光觸發而在沒有光的情況下沉積在另一相中。

一些最先進的分子開關基于機械互鎖的分子結構，其中雙穩態在大環的位置上有所不同。1991年，Stoddart設計了一種基于輪烷的分子穿梭機，在該輪烷上，分子珠能夠在位于分子線上的兩個對接站之間穿梭。Stoddart預測，當站點與由不同外部刺激所尋址的每個站點不同時，穿梭機就變成了分子機器。1993年，Stoddart被超分子化學先驅FritzV?gtle挖走，他實際上提供了一種可轉換的分子，該分子不是基于輪烷而是基于相關的鏈烷該化合物基于兩個環系統：一個環具有可光致分解的偶氮苯環和兩個百草枯對接站，另一個環是具有對百草枯單元具有結合親和力的芳烴環的聚醚。在這個系統中，核磁共振波譜表明，在偶氮反式中，聚醚環可以圍繞其配對環自由旋轉，但是當光觸發激活順式偶氮形式時，這種旋轉模式會停止1994年，Kaifer和Stoddart修改了他們的分子穿梭，使得缺電子的四陽離子環芳珠現在可以在兩個對接站之間進行選擇：一個聯苯酚和一個聯苯胺單元。

在室溫下的溶液中NMR光譜顯示，珠子以與NMR時間尺度相當的速率穿梭，將溫度降低到229K可以解析信號，84%的人口傾向于聯苯胺站。然而，在加入三氟乙酸后，聯苯胺氮原子被質子化，并且珠子xxx固定在聯苯酚站上。通過電化學氧化（形成聯苯胺自由基離子）獲得相同的效果，并且顯著這兩個過程都是可逆的。2007年，分子穿梭機被用于實驗性DRAM電路。該器件由400個底部硅納米線電極（16納米(nm)寬，間隔33納米）組成，另外400根鈦頂部納米線具有相似的尺寸，夾著單層雙穩態輪烷，如下所示：該設備中的每個鉆頭都由一個硅和一個鈦橫桿組成，大約100個輪烷分子以垂直角度填充在它們之間的空間中。左側的親水性二甘醇塞子（灰色）專門設計用于錨定硅線（通過磷摻雜制成親水性），而右側的疏水性四芳基甲烷塞子對同樣的疏水性鈦線具有相同的作用。在開關的基態中，百草枯環位于四硫富瓦烯單元（紅色）周圍，但當富瓦烯單元通過施加電流被氧化時，它會移動到二氧萘基單元（綠色）。當富瓦烯還原回來時，會形成亞穩態高電導“1”狀態，該狀態會松弛回到基態，化學半衰期約為一小時。通過采用在Teramac項目中也發現的容錯架構來規避缺陷問題。以這種方式，在一個白細胞大小的區域上獲得由160,000位組成的電路，轉換為每平方厘米1011位。